北大生命科学院分子生物学讲分子生物学课程教学讲义 朱玉贤

    第一讲 序论

    二、现代分子生物学中的主要里程碑

    分子生物学是研究核酸、蛋白质等所有生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学，是人类从

    分子水平上真正揭开生物世界的奥秘，由被动地适应自然界转向主动地改造和重组自然界的基础学科。当人们意识到同

    一生物不同世代之间的连续性是由生物体自身所携带的遗传物质所决定的，科学家为揭示这些遗传密码所进行的努力就

    成为人类征服自然的一部分，而以生物大分子为研究对像的分子生物学就迅速成为现代社会中最具活力的科学。

    从1847 年Schleiden和Schwann提出"细胞学说"，证明动、植物都是由细胞组成的到今天，虽然不过短短一百多年

    时间，我们对生物大分子--细胞的化学组成却有了深刻的认识。孟德尔的遗传学规律最先使人们对性状遗传产生了理性

    认识，而 Morgan 的基因学说则进一步将"性状"与"基因"相耦联，成为分子遗传学的奠基石。Watson和 Crick 所提出

    的脱氧核糖酸双螺旋模型，为充分揭示遗传信息的传递规律铺平了道路。在蛋白质化学方面，继 Sumner 在1936 年证

    实酶是蛋白质之后，Sanger 利用纸电泳及层析技术于 1953 年首次阐明胰岛素的一级结构，开创了蛋白质序列分析的

    先河。而 Kendrew 和 Perutz 利用 X 射线衍射技术解析了肌红蛋白(myoglobin)及血红蛋白(hemoglobin)的三

    维结构，论证了这些蛋白质在输送分子氧过程中的特殊作用，成为研究生物大分子空间立体构型的先驱。

    1910年，德国科学家Kossel 第一个分离了腺嘌呤，胸腺嘧啶和组氨酸。

    1959 年，美国科学家 Uchoa 第一次合成了核糖核酸，实现了将基因内的遗传信息通过 RNA 翻译成蛋白质的过程。同

    年，Kornberg 实现了试管内细菌细胞中DNA的复制。

    1962年，Watson(美)和 Crick(英)因为在 1953 年提出 DNA 的反向平行双螺旋模型而与Wilkins共获 Noble生

    理医学奖，后者通过 X射线衍射证实了Watson-Crick 模型。

    1965年，法国科学家Jacob 和Monod 提出并证实了操纵子(operon)作为调节细菌细胞代谢的分子机制。此外，他

    们还首次推测存在一种与 DNA 序列相互补、能将它所编码的遗传信息带到蛋白质合成场所(细胞质)并翻译产生蛋白

    质的 mRNA(信使核糖核酸) 。

    1972年，Paul Berg(美)第一次进行了DNA 重组。

    1977年，Sanger 和 Gilbert(英)第一次进行了 DNA序列分析。

    1988年，McClintock由于在 50年代提出并发现了可移动遗传因子(jumping gene或称mobile element)而获得

    Nobel 奖。

    1993 年，美国科学家Roberts和 Sharp 因发现断裂基因(introns)而获得 Nobel 奖。Mullis 由于发明 PCR 仪而与

    加拿大学者 Smith(第一个设计基因定点突变)共享Nobel 化学奖。

    此外，Griffith(1928)及 Avery(1944)等人关于致病力强的光滑型(S 型)肺炎链球菌DNA导致致病力弱的粗糙

    型(R 型)细菌发生遗传转化的实验；Hershey和 Chase(1952)关于DNA是遗传物质的实验；Crick 于1954 年所

    提出的遗传信息传递规律(即中心法则):Meselson和Stahl(1958)关于DNA 半保留复制的实验以及Yanofsky和

    Brener(1961)年关于遗传密码三联子的设想都为分子生物学的发展做出了重大贡献。

    我国生物科学家吴宪20世纪20 年代初回国后在协和医科大学生化系与汪猷、张昌颖等人一道完成了蛋白质变性理论、血液生化检测和免疫化学等一系列有重大影响的研究，成为我国生物化学界的先驱。20世纪60年代、70年代和80年

    代，我国科学家相继实现了人工全合成有生物学活性的结晶牛胰岛素，解出了三方二锌猪胰岛素的晶体结构，采用有机

    合成与酶促相结合的方法完成了酵母丙氨酸转移核糖核酸的人工全合成，在酶学研究、蛋白质结构及生物膜结构与功能

    等方面都有世所瞩目的建树。

    三、分子生物学的主要研究内容

    所有生物体中的有机大分子都是以碳原子为核心，并以共价键的形式与氢、氧、氮及磷以不同方式构成的。不仅如此，一切生物体中的各类有机大分子都是由完全相同的单体，如蛋白质分子中的 20 种氨基酸、DNA 及 RNA中的 8 种碱基

    所组合而成的，由此产生了分子生物学的 3条基本原理：

    1. 构成生物体有机大分子的单体在不同生物中都是相同的； 免费考研网www.freekaoyan.com 制作pdf版本

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    2. 生物体内一切有机大分子的建成都遵循着各自特定的规则；

    3. 某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子决定了它的属性。

    分子生物学研究内容:

    DNA重组技术------基因工程

    基因表达调控-------核酸生物学

    生物大分子结构功能----结构分子生物学

    DNA重组技术(又称基因工程)

    这是 20 世纪 70 年代初兴起的技术科学，目的是将不同 DNA片段(如某个基因或基因的一部分)按照人们的设计定向

    连接起来，在特定的受体细胞中与载体同时复制并得到表达，产生影响受体细胞的新的遗传性状。严格地说，DNA重组

    技术并不完全等于基因工程，因为后者还包括其他可能使生物细胞基因组结构得到改造的体系。DNA 重组技术是核酸化

    学、蛋白质化学、酶工程及微生物学、遗传学、细胞学长期深入研究的结晶，而限制性内切酶 DNA 连接酶及其他工具

    酶的发现与应用则是这一技术得以建立的关键。

    DNA重组技术有着广阔的应用前景 NA 重组技术可用于定向改造某些生物基因组结构，使它们所具备的特殊经济价

    值或功能得以成百 上千倍的地提高。DNA 重组技术还被用来进行基础研究。如果说，分子生物学研究的核心是遗传信

    息的传递和控制，那么根据中心法则，我们要研究的就是从 DNA 到 RNA，再到蛋白质的全过程，也即基因的表达与调

    控。在这里，无论是对启动子的研究(包括调控元件或称顺式作用元件) ，还是对转录因子的克隆及分析，都离不开重组

    DNA技术的应用。

    基因表达调控研究

    因为蛋白质分子参与并控制了细胞的一切代谢活动，而决定蛋白质结构和合成时序的信息都由核酸(主要是脱氧核糖核

    酸)分子编码，表现为特定的核苷酸序列，所以基因表达实质上就是遗传信息的转录和翻译。在个体生长发育过程中生

    物遗传信息的表达按一定的时序发生变化(时序调节) ，并随着内外环境的变化而不断加以修正(环境调控) 。

    原核生物的基因组和染色体结构都比真核生物简单，转录和翻译在同一时间和空间内发生，基因表达的调控主要发生在

    转录水平。真核生物有细胞核结构，转录和翻译过程在时间和空间上都被分隔开，且在转录和翻译后都有复杂的信息加

    工过程，其基因表达的调控可以发生在各种不同的水平上。 基因表达调控主要表现在信号传导研究、转录因子研究及RNA

    剪辑 3个方面。

    转录因子是一群能与基因5'端上游特定序列专一结合，从而保证目的基因以特定的强度在特定的时间与空间表达的蛋白

    质分子。

    真核基因在结构上的不连续性是近 10年来生物学上的重大发现之一。当基因转录成 pre-mRNA后，除了在 5'端加帽及

    3'端加多聚 A[polyA]之外，还要将隔开各个相邻编码区的内含子剪去，使外显子(编码区)相连后成为成熟 mRNA ......